我国煤炭热解技术研究现状

我国煤炭热解技术研究现状
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李　云
(包头师范学院化学学院,内蒙古包头　014030)
摘　要:20世纪初,由于世界工业迅猛发展,石油开采已经不能满足液体燃料快速增长的要求,21世纪世界石油危机和对清洁能源需求的增长,引起对煤热解技术的重视。

本文通过对气体热载体直立炉技术、固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术、多段回转炉热解技术、以移动床热解为基础的循环流化床多联产技术进行技术原理和优缺点的对比研究;得出,我国的煤炭热解技术仍处于不断发展之中,且要继续从技术难点、能源利用率、环境友好性和工业化程度等方面进行进一步改造和发展。

为我国煤炭资源的利用和清洁能源的生产提供技术支持。

关键词:煤炭;热解技术;技术原理;研究现状
中图分类号:T Q530.2 文献标识码:A 文章编号:1006—7981(2012)02—0079—05
1　研究背景
中国正处于工业化、城镇化、快速发展阶段。

可以预期的是,在未来较长时期内,中国经济仍将会保持较快的发展速度,并逐步完成工业化和城市化,在2030年左右将达到中等发达国家的水平。

在这一过程中,公众对生活质量、居住环境、城市状况等将提出越来越高的标准,生活方式和消费方式将会发生越来越显著的变化。

汽车保有量的持续增长、住房面积的扩大,以及在此基础上形成的衍生需求将成为经济和社会持续发展的最主要动力。

这将导致经济结构的一系列变化,也将带来能源消费总量的持续增长,特别是对石油和天然气消费的增长。

根据国内外有关研究机构的预测,到2030年,我国的能源需求总量将会达到50—60亿吨标煤。

从中国的资源条件和现有的技术发展看,能源自给率的保障只能来自于煤炭资源的大规模使用,以煤为主的能源战略是不可避免的选择。

首先,中国缺乏油气资源是一个公认的事实。

至2010,剩余技术可开采储量为石油23亿吨,天然气2.01万亿立方米。

2010年的石油产量为2亿吨,消费量为其次,中国的煤炭资源储量相对丰富,已探明的煤炭资源储量在一万亿吨以上居世界第三位,随着勘探工作的深入,煤炭资源经详查储量将会有较大幅度的增长。

从近年来内蒙、新疆和陕西煤炭储量迅速增长的趋势,清晰地体会到能源问题的实质是油气资源短缺,关键问题是对石油天然气的需求远远超过国内资源可以承担的程度。

保障能源自给率的关键是在液体燃料、气体燃料和化工原料等领域中实现煤炭对石油的替代。

这样的背景下国家核心目标就是煤炭资源的合理利用。

随着石油资源的日趋紧张,煤炭的开发利用,尤其是洁净煤技术的发展逐渐成为我国能源研究开发的重心。

煤炭的低温热解技术作为符合清洁煤技术的传统煤炭转化和利用技术,再一次被赋予了新的活力。

煤炭热解技术的研究就成为了重要课题。

2　我国煤炭热解技术研究现状
2.1　我国煤炭热解技术发展历程
20世纪50-60年代是我国煤炭热解技术发展的第一个阶段。

我国开始对煤热解技术进行开发和研究,中国科学院与大连第一发电厂、长春汽车制造公司联合开发“燃烧与固体热载体炉前干馏半工业试验,并取得了初步试验成果。

北京石油学院、上海电业局的研究人员也开发了流化床,快速热解技术,并进行了10t/d规模的中试,取得了相应的技术成果。

20世纪60年代中期到70年代末是我国煤炭热解技术发展的第二个阶段。

大连工学院聂恒锐等人研究开发了辐射炉快速热解技术,是一项利用辐射加热进行煤的高温高速热分解的技术,经实验室研究和放大规模试验,于年建立了5规模的工业示范厂,我国煤炭热解生产规模由发展
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　2012年第2期 内蒙古石油化工
X收稿日期
19791t/d
10t/d :2011-12-22
到15t/d。

它能显著地提高煤热分解化学产品的质量与收率,其产品数量比高温炼焦的化学产品都有成倍的增长。

煤的热分解转化率较高,故热分解的焦渣少,其中焦渣的活性很强,可作气化原料或燃料,煤料在辐射炉中的升温速度最高可达到500℃/秒。

1983年进行了以吉林舒兰褐煤为原料的连续运转试验,并对该技术所产焦油、焦渣的组成及性质进行了分析研究,结果显示热解产品的质量比高温热解的产品质量要好。

20世纪80-90年代初期是我国煤炭热解技术发展的第三个阶段。

这一阶段,我国对煤炭热解技术研究逐渐增多,大连工学院的郭树才等人研究开发了固体热载体新法干馏技术。

在实验室建立了10k g/h规模的实验装置,并对平庄、大雁、黄县等多种褐煤和油页岩进行了大量的试验研究,于90年代初在内蒙古的平庄建起了5.5万t/a规模的褐煤气体热载体直立炉技术工业示范厂,由于固体热载体新法干馏技术的流程技术简单,单元设备能力大,热效率高,常压操作,所以该热解技术投资少、费用低,是一向兼顾经济效益、社会效益和生态效益的先进技术。

另外,中国科学院山西煤化所曾对灵武煤进行了固体热载体快速热解的微型试验。

褐煤固体热载体法快速热解技术是将褐煤通过与热的载体快速混合加热使褐煤热解得到轻质油品、煤气和半焦的技术,其过程相对简单,投资少。

固体热载体法快速热解技术使用粉粒状原料,同时,与其它低温干馏方法相比,固体热载体法快速热解技术多产油品,生产的低温煤焦油质量好,焦油中含有脂肪烃、芳烃和酚类物质,可加工得化学品和燃料油。

90年代中期,原华东化工学院也对我国煤炭热解技术进行了研究,主要对固定床加氢热解进行研究,其过程是原煤经过固定床反应器,进行干燥、热分解、还原、氧化等反应产生燃料气体。

固定床反应器的结构相对简单,且由于其中热气体通过整个燃烧床,其显热对物料有导热和干燥作用,气体离开反应器时温度较低,因而热损失较少,系统的热效率较高。

但气体中易夹带挥发性物质,如焦油、蒸汽等物质,易堵塞气化部分管道。

北京煤化所开发的MRF热解技术,先后建立了
、、规模的一系列实验室热解装置,对先锋、大雁、天祝、东胜等煤进行了大量的热解试验,系统地分析了半焦、焦油和煤气的性质,并对半焦和焦油的加工利用途径进行了研究,于世纪90年代初在内蒙古海拉尔建起了2万t/a规模的褐煤MRF热解工业示范厂。

20世纪90年代末以后开发的煤炭热解技术多是从煤炭的高效利用、环保、节能方面综合考虑,因此这一阶段的热解技术的研究主要是以热解为基础的多联产技术。

可以把化工和发电两个过程耦合起来,能量利用效率可以提高10%-15%,同时,化工产品增值量比较大。

2.2　我国五种煤炭热解技术原理简介
2.2.1　气体热载体直立炉技术原理简介
内热式直立炉工艺主要用于低变质煤低温热解,热载体以气体为主,不适用于中等粘结性或高粘结性的烟煤。

三段炉流程,如图1所示。

20-80mm的褐煤或型煤沿炉向下进入,气流逆向通入进行热解。

热解过程分为干燥段、热解段和冷却段。

在干燥段环热气流把煤干燥并预热到150℃;在热解段热气流把煤加热到500-850℃,进行热解。

在冷却段半焦被循环气流冷却到100-150℃,最后排出,
完成热解过程。

图1　气体热载体直立炉技术
2.2.2　固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术原理简介
固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术如图2所示,煤和800℃的粉煤焦按一定比例分别进入混合器,迅速而均匀的混合,高温的半焦将热量传给原料粒子,混和温度达到550-650℃。

煤即发生快速热分解。

煤或焦粉在流化燃烧炉燃烧生成800℃的含氧烟气,在加热提升管下部与来自反应器的600℃半焦发生部分燃烧,半焦被加热提升到热半焦槽;将半焦加热到800-850℃,作为热载体循环使用。

反应器下部有半焦管,导出部分粉焦,焦粉的温度为750℃,将高温的半焦粉和原煤按∶的比例快速混合,制取半焦提质煤产品。

来自反应器的荒煤气经过除尘去洗气管,冷却洗涤后于气液分离器分离。

水和重焦油去分离槽。

煤气经间接冷却,分出轻焦油、煤气经鼓
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1kg/h10kg/h100kg/h
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11
风机加压和除焦油后,
再经脱硫后去煤气柜。

图2　固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术图
2.2.3　多段回转炉热解技术原理简介
多段回转炉热解技术流程如图3所示,原理简介制备好的原煤在干燥炉内干燥,干燥煤在热解炉中被间接加热,热解温度550-750℃,热解挥发产物从专设的管道导出,经冷凝回收焦油。

热半焦在三段熄焦炉中用水冷却排出。

由于煤在热解前干燥并脱出了大部分的水分,大大减少了酚水量,少量的酚水与净水掺合后作为熄灭半焦用水,从而使耗资较大
的污水处理系统大为简化。

图3　多段回转炉热解技术
2.2.4　以流化床热解为基础的热电气多联产技术原理简介
系统由燃烧室、气化炉、返料器、汽水系统、煤气净化系统和焦油回收系统等部分组成,如图4所示,主要用于完成热解、气化、燃烧分级转化、焦油收集等工艺。

煤首先进入气化炉内热解,产生的煤气经净化后,一部分输出民用,另一部分送入流化床气化炉作为流化介质;气化炉中的半焦及放热后的循环热灰通过返料装置进入循环流化床锅炉,半焦燃烧产生的蒸汽用于发电、供热;气化炉内煤热解反应所需热量由循环流化床锅炉的循环热灰提供,流化介质
采用的是低温净化后的再循环煤气或过热蒸汽。

图4　流化床热解为基础的热电气多联产技术图2.3　我国四种煤炭热解技术比较研究2.3.1　我国四种煤炭热解技术原理比较研究
近年来,我国煤炭热解技术有了较快发展,从50
年代的土法热解技术发展为高温热解、辐射热解、新法干馏热解技术到成熟的多联产技术。

随着方法的不断更新,工作流程逐渐简化、工业化程度迅猛发展、环保和节能等方面也在不断进步。

现阶段涉及的主要煤炭热解技术有:气体热载体直立炉技术、固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术、多段回转炉热解技术、以流化床热解为基础的热电气多联产技术、以移动床热解为基础的循环流化床多联产技术。

由于技术原理是影响其产品和工业化程度的主要原因,本文从加热方式、热载体、热解温度和热解速度等方面对各种工艺进行了对比,如表1所示。

从表1可以得出,多段回转炉热解技术采用的加热方式是外热式,而其它各种煤炭热解技术采用的是内热式加热。

五种煤炭热解技术大多采用的热载体为空气和半焦,其中以流化床热解为基础的热电气多联产技术和以移动床热解为基础的循环流化床多联产技术的热载体是循环热灰。

从热解温度来看热电气多联产技术和循环流化床多联产技术所需的最高温度比较高。

气体热载体直立炉技术所需热解温度变化梯度小,其范围在730-770℃。

热解速度上气体热载体直立炉技术和多段回转炉热解技术较慢。

表1　
我国五种炭热解技术原理比较
热解技术
技术原理
加热方式
载体
热解温度
(℃)
热解速度
气体热载体直立炉技术直立炉内热式空气煤气730-770中速
固体半焦热载体为基础
的干馏多联产技术
直立式循环流化床
内热式半焦470-600快速
多段回转炉热解技术
多段回
转炉
外热式空气烟气550-750中速
以流化床热解为基础的
热电气多联产技术
流化式循环流化床热解
内热式循环热灰500-900快速
2.3.2　我国四种煤炭热解技术优缺点比较研究
表2对我国现阶段的四种煤炭热解技术的优缺点进行了比较,结果显示,气体热载体直立炉技术、以流化床热解为基础的热电气多联产技术经过不同的工艺流程都有焦油和半焦产出。

以流化床热解为基础的热电气多联产技术和以移动床热解为基础的
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　2012年第2期 李云　我国煤炭热解技术研究现状
循环流化床多联产技术的最终可用来发电,说明这两种技术对热解过程中产生的废气进行了有效地利用。

气体热载体直立炉技术已达到工业化程度,生产水平为30万t/a并以实现工业化。

其中多段回转炉热解技术和固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术年产都达到5.5万吨都在中试阶段。

而以流化床热解为基础的热电气多联产技术移动床热解为基础的循环流化床多联产技术75t/h都以工业运行。

通过各种热解技术优缺点的比较得出我国煤炭热解及其联产技术普遍存在一些问题,例如,能量的利用效率方面,虽然各种工艺能量效率各异,但均存在较大的提升空间,需要在设备换热和热量回收上做进一步的改进和提高。

各工艺都采取了减少污染排放,保护环境的措施,但在焦炉气的回收及加工、等方面需要进行进一步的研究。

我国以加工大宗煤炭为目的,工业化程度要求高,煤炭各种热解技术工业化程度都有待提高,目前的技术在工业示范方面尚有许多问题需要解决。

表2　我国四种煤炭热解技术优缺点比较
热解技术主产品工业化程度缺点优点
气体热载体直立炉技术焦油、
半焦
30万t/a已工业
化。

废热气与干馏煤气在炉内
混合排出,因而煤气量大,
煤气热值较低;炉内阻力
大,煤气净化系统庞大复
杂。

该炉型具有物料下降均匀,布料、布气
和加热均匀;焦炉的有效容积大,提高
了焦炉单位容积和单位截面的处理能。

固体半焦热载体为基础的干馏多联产技术半焦提
质煤
5.5万t/a中试;
100万t/a设计
中。

气固分离设备较多;均匀混
合的混合时间;排渣受温度
影响较大。

油收率高,原料利用率高,油品质良好,
燃气热值高;操作弹性大,单套处理能
力大,放大能力高。

多段回转炉热解技术优质半焦
5.5万t/a的工
业示范厂。

热效率低;连续生产粉尘易
沉积、堵塞。

炉前干燥并脱出了大部分的水分,大大
减少了酚水量;污水处理系统大为简
化。

以流化床热解为基
础的热电气多联产技术焦油和电
125MW循环流
化床正在建设,
75t/h的多联
产锅炉已在江
苏扬州成功运
行。

煤气净化系统堵塞;旋风分
离器出口及下料部分堵塞;
返料管中半焦结块;燃烧时
和气化炉温度较高,对控制
不利。

冷却产生的酚水全部送循环流化锅炉
焚烧,由烟囱排出;热效率高,资源利用
充分;规模放大性能好。

3　结论与讨论
3.1　结论
目前,世界各国的煤炭热解进展速度缓慢,而我国由于能源需求,资源特征等因素,煤炭热解技术研究正在日新月异的发展,许多技术达到甚至超过了国际先进水平,工业化程度也在不断扩大。

积极开发和深入研究煤炭热解及联产技术符合国务院“十二五”规划的发展方向,符合国家积极发展新能源和替代能源、促进能源多元化的产业政策。

这些技术工业化程度的提高和在能源领域的应用,必将对我国的经济发展、资源综合利用和环境保护等方面起到重要的作用。

炭中低温热解的最大优势是低能耗、低水耗、低环境消耗、低成本、多联产,在实现煤炭对油气资源可替代的同时,又不影响发电等传统燃煤产业对煤炭的需求,实现煤炭、电力、石油、天然气、化工等产业的协调发展。

在采用较成熟先进技术的条件下,中低温热解至少可以从原煤中获得20%左右的油气和50%的产品半焦。

按此计算,我国15亿吨左右燃料用煤,如果有50%在燃烧之前进行中低温热解,将生产油气1.5亿吨!这对我国能源安全的意义不言而喻,有着巨大潜力。

3　讨论
每当新的技术和新的产业机会出现时,企业一哄而上,攻城掠地,重复建设,而后问题重重、破产淘
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汰、拖累银行几乎成为中国产业发展的基本模式。

煤热解产业要避免重蹈覆辙,需要一种新的产业发展模式。

结合热解产业发展的特点、对现状和需要解决的主要问题,可能的发展模式进行讨论并且运用到实际中。

要完善热解技术和半焦应用技术体系,优先完善已有的先进热解技术,解决现存的技术问题,稳定提高油气综合产率,实现技术流程和功能单元的合理化、模块化。

同步开发和研制焦油、燃气和半焦等中间产品的应用技术,重点解决半焦用于粉煤锅炉、循环流化床锅炉和半焦气化的相关技术问题,以保障产业化进程的展开,新技术产业化的关键在于大型成套生产装置的研制和大型成套装置的批量化生产,如何避免煤化工产业发展中过度依靠引进技术的状况重复发生,应将生产装置的大型化国产化作为产业化的关键和基础。

讨论如何以实体性产业联盟为载体,将大型煤炭生产企业、大型装备制造企业和具有研究基础的研究机构共同组成实体性产业联盟,共同承担技术和装置的研发、制造和大型综合性示范基地建设。

最后考虑如何在政策扶持与严格监管上结合,在逐步取得经验的基础上,同步制定相关的产业政策和行业标准,包括准入规则、行业监管规则、技术流程标准、产品标准等,为热解产业后续的发展,创造有序的产业环境。

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(上接第76页)
3　从课堂教学生活化是努力方向
新课程改革的要点之一就是课堂教学生活化。

它包含三个层面的意思:一是将生活中相关资源引入学科教学实际,将生活资源转化为教学资源。

教师在教学设计、教学实施、教学反思等活动中,高度关注师生生活世界与书本世界的联系,在两个世界间搭建起桥梁。

一旦生活世界的相关信息纳入课堂教学的时候,学生在获取和探究知识与技能的过程中,参与课堂的热情会提高,互动水平会提升,对知识的掌握程度会增强,获得的情感体验会更丰富。

二是树立生活化教学观念。

针对目前高职院校学生基础水平偏低的现象,我们在讲解内容时可以降低难度。

课堂是师生生活世界的一个重要组成部分,师生间的课堂交往是自己的一种生活状态和生命的体现。

通过课堂生活中师生的对话、交流、合作的过程,在掌握知识与技能的同时,感受到人际交往中尊重与互信的重要,感受到学习的乐趣,感受到自我存在的价值,达到相互尊重、和谐共生、共同发展。

三是通过生活化的课堂,获取丰富的知识与技能,形成科学的人生观、价值观,去迎接新生活,去修正生活中存在的问题,去提高生活品质。

利用课件与黑板相结合的方法,使课堂生动有趣,提高教学质量。

“十年树木,百年树人”,作为一名年轻的物理教师,必须对“高职物理”的教学改革进行研究和探讨,不断更新和提高我们的专业知识,培养一流的应用型人才,为国家高职高专事业的发展做出自己的贡献。

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20077.。